Een oplaadbare batterijtechnologie die is ontwikkeld aan de Universiteit van Michigan zou de output van de huidige lithium-ioncellen kunnen verdubbelen - het bereik van elektrische voertuigen en de tijd tussen het opladen van mobiele telefoons drastisch vergroten - zonder extra ruimte in beslag te nemen.

Door gebruik te maken van een keramiek, elektrolyt in vaste toestand, ingenieurs kunnen de kracht van lithium-metaalbatterijen benutten zonder de historische problemen van slechte duurzaamheid en kortsluiting. Het resultaat is een routekaart naar wat de volgende generatie oplaadbare batterijen zou kunnen zijn.

"Dit kan een game-changer zijn - een paradigmaverschuiving in hoe een batterij werkt, " zei Jeff Sakamoto, een UM universitair hoofddocent werktuigbouwkunde die het werk leidt.

In 1980, oplaadbare lithium-metaalbatterijen die vloeibare elektrolyten gebruikten, werden als het volgende grote ding beschouwd, penetreren van de markt in vroege draagbare telefoons. Maar hun neiging om te ontbranden wanneer ze worden opgeladen, leidde ingenieurs in verschillende richtingen. De lithiumatomen die tussen de elektroden pendelen, hadden de neiging om boomachtige filamenten, dendrieten genaamd, op de elektrode-oppervlakken te bouwen. uiteindelijk kortsluiting van de batterij en het ontsteken van de ontvlambare elektrolyt.

De lithium-ionbatterij - een stabielere, maar minder energierijke technologie - werd in 1991 geïntroduceerd en werd al snel de nieuwe standaard. Deze batterijen vervingen lithiummetaal door grafietanodes, die het lithium absorberen en de vorming van dendrieten voorkomen, maar komen ook met prestatiekosten:

Grafiet kan slechts één lithiumion bevatten voor elke zes koolstofatomen, waardoor het een specifieke capaciteit heeft van ongeveer 350 milliampere uur per gram (mAh/g.) Het lithiummetaal in een solid-state batterij heeft een specifieke capaciteit van 3, 800mAh/g.

De huidige lithium-ionbatterijen halen het maximum uit met een totale energiedichtheid van ongeveer 600 wattuur per liter (Wh/L) op celniveau. In principe, solid-state batterijen kunnen 1 bereiken 200 Wh/L.

Om het verbrandingsprobleem van lithiummetaal op te lossen, U-M-ingenieurs hebben een keramische laag gemaakt die het oppervlak stabiliseert, waardoor dendrieten zich niet kunnen vormen en brand wordt voorkomen. Hierdoor kunnen batterijen de voordelen van lithiummetaal benutten - energiedichtheid en hoge geleidbaarheid - zonder het gevaar van brand of degradatie in de loop van de tijd.

"Wat we hebben bedacht, is een andere benadering - het fysiek stabiliseren van het lithiummetaaloppervlak met een keramiek, ' zei Sakamoto. 'Het is niet brandbaar. We halen het boven de 1, 800 graden Fahrenheit in de lucht. En er is geen vloeistof, dat is wat typisch de batterijvuren voedt die je ziet.

"Je raakt die brandstof kwijt, je raakt de verbranding kwijt."

In eerdere elektrolyttests in vaste toestand, lithiummetaal groeide door de keramische elektrolyt bij lage laadsnelheden, kortsluiting veroorzaken, net als dat in vloeibare cellen. UM-onderzoekers hebben dit probleem opgelost met chemische en mechanische behandelingen die een ongerept oppervlak bieden waarop lithium gelijkmatig kan worden geplateerd, effectief onderdrukken van de vorming van dendrieten of filamenten. Dit verbetert niet alleen de veiligheid, het maakt een dramatische verbetering van de laadsnelheden mogelijk, zei Sakamoto.

"Tot nu toe, de snelheid waarmee je lithium zou kunnen plateren, zou betekenen dat je een lithium-metaal-autobatterij meer dan 20 tot 50 uur moet opladen (voor volledig vermogen), " zei Sakamoto. "Met deze doorbraak, we hebben aangetoond dat we de batterij in 3 uur of minder kunnen opladen.

"We hebben het over een toename van de laadsnelheid met een factor 10 in vergelijking met eerdere rapporten voor lithium-metaalbatterijen in vaste toestand. We zitten nu op hetzelfde niveau als lithium-ioncellen wat betreft laadsnelheden, maar met extra voordelen. "

Dat laad- / oplaadproces leidt onvermijdelijk tot de uiteindelijke dood van een lithium-ionbatterij. Het herhaaldelijk uitwisselen van ionen tussen de kathode en anode zorgt direct uit de doos voor zichtbare degradatie.

Bij het testen van de keramische elektrolyt, echter, er wordt geen zichtbare degradatie waargenomen na langdurig fietsen, zei Nathan Taylor, een UM postdoctoraal onderzoeker in de werktuigbouwkunde.

"We hebben 22 dagen dezelfde test gedaan, " zei hij. "De batterij was aan het begin precies hetzelfde als aan het einde. We hebben geen degradatie gezien. We zijn ons niet bewust van andere bulk-vastestofelektrolyt die zo lang zo goed presteert."

Bulk solid state elektrolyten maken cellen mogelijk die een drop-in vervanging zijn voor de huidige lithium-ionbatterijen en die de bestaande technologie voor batterijproductie kunnen benutten. Met de materiële prestaties geverifieerd, de onderzoeksgroep is begonnen met het produceren van dunne vaste elektrolytlagen die nodig zijn om te voldoen aan de doelstellingen voor de capaciteit in vaste toestand.

De bevindingen van de groep zijn gepubliceerd in het nummer van 31 augustus van de Journal of Power Sources .